Принцип работы трансформатора: режимы, схема, назначение, из чего состоит

Трансформатор: устройство, принцип действия, основные виды и назначения. Описание основных режимов работы прибора.

Общее описание конструкции

Понятие «реле» объединяет целое семейство устройств разной конструкции. Но в общем случае реле состоит из трех основных функциональных элементов:

  • Воспринимающий. Это первичный элемент, который воспринимает контролируемую величину и преобразует ее в другую физическую величину.
  • Промежуточный. Сравнивает полученное значение с заданным параметром. Если это значение выше или ниже заданного параметра, то на исполнительный элемент передается первичное воздействие.
  • Исполнительный. Этот элемент передает воздействие в цепи, управляемые реле. В результате такого воздействия может произойти: размыкание или соединение управляемой цепи, переключение параметров тока.

Исполнение и принцип действия первичного элемента зависят от того, какое назначение имеет реле и на какую физическую величину (сила тока, напряжение, свет, тепло и т.п.) оно настроено.

ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОКОВ ФУКО

Для того чтобы оценить масштабы энергии, которая может выделяться при протекании вихревых токов, полезно вспомнить принцип работы индукционных плавильных печей. В ёмкость печи, выполненную из огнеупорной керамики, помещают лом стали, чугуна или железную руду.

Плавильная ёмкость окружена мощной спиральной обмоткой, по которой пропускается ток высокой частоты. Содержимое ёмкости в данном случае играет роль магнитного сердечника.

Под воздействием возникающих вихревых токов происходит интенсивный разогрев и расплавление загруженного железосодержащего материала. Электроплавильное производство относится к одному из самых энергоёмких.

Потери на перемагничивание обусловлены следующими факторами:

1. Макроструктура магнитных материалов имеет зернистый характер. Образование структурных зёрен происходит на стадии застывания расплавленного металлического сплава вследствие возникновения множества очагов кристаллизации.

2. В результате образуются зёрна структуры, которые представляют собой монокристаллические образования — домены. Каждый домен магнитного материала имеет некоторое результирующее направление вектора магнитной индукции.

При отсутствии внешнего магнитного поля векторы индукции доменов направлены хаотически. Но если поместить такой материал в магнитное поле, векторы доменов становятся однонаправленными.

Применительно к процессу трансформации происходит следующее. Ток первичной обмотки создаёт в сердечнике магнитное поле, направление индукции которого меняется с частотой 50 герц (при подключении к обычной электросети).

С такой же частотой происходит переориентация векторов магнитной индукции доменов магнитопровода. Энергия, затрачиваемая на циклическое перемагничивание, выделяется в виде тепла, нагреваемого сердечник.

Энергию, затраченную на перемагничивание сердечника, называют также потерями на гистерезис. Величина этих потерь зависит от свойств материала трансформаторного сердечника, а если более конкретно, от вида их кривой намагничивания — петли гистерезиса.

Наименьшими потерями характеризуются магнитомягкие материалы — электротехническая сталь и пермаллой, которые и используются при изготовлении трансформаторных магнитопроводов.

Общие сведения о трансформаторах

Значительно легче передавать переменный ток на большие расстояния, так как достигаются минимальные потери, связанные с величинами напряжения (U) и тока (I). Кроме того, для передачи не переменного, а постоянного I необходимо применять сложную электронику, которая основана на усилении параметров электричества. Основной частью этой технологии являются мощные транзисторы, которые требуют специального охлаждения, и главным критерием является цена. Использование трансформаторов, которые работают только от переменной величины тока, является оптимальным решением.

Как увеличить передачу энергии

Увеличить передачу электроэнергии по контуру питающий провод-рельсы можно путем установки на подстанциях специальных повышающих автотрансформаторов, мощность которых соответствует нагрузке плеча питания подстанции, или специальным включением на подстанции двух стандартных трехфазных трансформаторов.

Группа соединения У/Д-1 у второго трансформатора получена одноименной двойной перемаркировкой выводов двух фаз первичной и тяговой обмоток стандартного трансформатора. Обозначение выводов вторичной обмотки по заводской маркировке показано на рисунке с индексом «Т».

С рельсами, как и в системе 25 кВ, соединен один и тот же вывод тяговой обмотки обоих трансформаторов (вывод ст по заводской маркировке). Соединение с рельсами вывода ст определяет, что наименее нагруженными у обоих трансформаторов будут обмотки на среднем стержне.

По аналогии с трехфазными трансформаторами в системе 25 кВ в случае присоединения провода к выводу ат имеем положительное напряжение этого провода относительно рельсов, а к выводу Ьт — отрицательное напряжение провода относительно рельсов.


Схема питания тяговой сети системы 2×25 кВ при последовательном соединении двух фаз трехфазных трансформаторов (а), векторные диаграммы напряжений первичных и вторичных обмоток (б).

Первый трансформатор присоединен выводом ат к контактной сети первой фидерной зоны, а выводом Ьт к контактной сети второй фидерной зоны.

Второй трансформатор имеет обратное присоединение: выводом ят он присоединен к питающему проводу второй фидерной зоны, а выводом Ьт — к питающему проводу первой фидерной зоны.

Последовательное включение двух вторичных обмоток трансформаторов с группами соединения обмоток У/Д-11 и У/Д-1 позволяет получить удвоенное напряжение двух фаз, питающих тяговую сеть по разные стороны от подстанции.

Будет интересно Что такое разделительные трансформаторы

Как и выше, у контактной сети и питающего провода, а указаны напряжения питающей линии, с которыми совпадают по фазе напряжения контактной сети и питающего провода. Последние сдвинуты на 180°. Поэтому под рисунком показано положение только напряжений контактная сеть—рельсы. Оно не отличается от положения этих векторов в системе 25 кВ, если в системе 2×25 кВ трансформатор, подключенный к контактной сети, присоединен к тем же фазам питающей линии, что и в системе 25 кВ.

Что делает трансформатор

У трансформатора много полезных и важных функций:

  • Передает электричество на расстояние. Он способен повышать переменное напряжение. Это помогает передавать переменный ток на большие расстояния. Так как у проводов тоже есть сопротивление, от источника тока требуется высокое напряжение, чтобы преодолеть сопротивление проводов. Поэтому, трансформаторы незаменимы в электросетях, где они повышают напряжение до десятки тысяч вольт. Еще возле электростанций, которые вырабатывают электрический ток, стоят распределительные трансформаторы. Они повышают напряжение для передачи их потребителям. А возле потребителей стоит понижающий трансформатор, который уменьшает напряжение до 220 В 50 Гц.

  • Питает электронику. Трансформатор — это часть блока питания. Он понижает входное сетевое напряжение, которое затем выпрямляется диодным мостом, фильтруется и подается на плату. По сути, он используется практически в любом блоке питания и преобразователе.

Зачем нужен трансформатор и где он применяется

  • Питает радиолампы и электронно-лучевые трубки. Для радиоламп нужен большой спектр напряжений. Это и 12 В и 300 В и др.

  • Для этих целей и делают трансформаторы, которые понижают и повышают сетевое напряжение. Это делается за счет разных обмоток на одном сердечнике. Разновидностью ламп являются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). Они используются в электронных микроскопах, где с помощью пучка электронов можно получить детальные изображения микроскопических поверхностей. Для них нужны высокие напряжения, порядка нескольких десятков тысяч киловольт. Это нужно для того, чтобы в вакуумной трубке можно было разогнать пучок электронов до больших скоростей. Электрон в вакууме может повышать скорость своего передвижения за счет повышения напряжения. И здесь, кстати, используется импульсный трансформатор. Он повышает напряжение за счет работы ШИМ (широтно-импульсной модуляции). Такие трансформаторы называются строчными (или развертки).

Применение трансформаторов в электронике
Это название неспроста, так как такой трансформатор выполняет функцию строчной развертки. По сути кинескоп — это и есть электронно-лучевая трубка. Поэтому, для работы телевизоров, где используется кинескоп, нужен строчный трансформатор.

  • Согласует сопротивления. В усилителях звука согласование источника и потребителя играет важную роль. Поэтому, есть согласующие трансформаторы, которые позволяют передать максимум мощности в нагрузку. Если бы не было такого трансформатора, то лаповые усилители, которые были рассчитаны на 100 Вт, выдавали бы менее 50 Вт в нагрузку.

Например, выход усилителя 2 кОм, а трансформатор согласует сопротивление и понижает напряжение для щадящей работы динамиков. А на его вторичной обмотке сопротивление всего несколько десятков Ом.
Согласующий трансформатор

  • Для безопасности. Трансформатор создает гальваническую развязку между сетью и блоком питания. Это последний рубеж безопасности в блоке питания, если что-то пойдет не так. Будет время для срабатывания предохранителя. Или же катушки и магнитопровод расплавятся, но потребителю не дадут сетевую нагрузку. Он физически не связан с сетью 220 В. Связь есть только с помощью магнитного поля (взаимоиндукции). И если трансформатор рассчитан на 100 Вт, то он сможет выдать только 100 Вт.

Гальваническая развязка и трансформатор
Поэтому, потребитель будет защищен от опасных высоких токов. Именно из-за этого бестрансформаторные блоки питания считаются опасными.

  • Деталь оружия. В электрошокерах используются высокие напряжения. И их помогает форматировать высоковольтный трансформатор. А еще он используется в некоторых схемах Гаусс пушки.

Технические характеристики

Важной характеристикой являются коэффициенты трансформации. Они показывают зависимость выходного напряжения от соотношения витков в обмотках. Коэффициент трансформации является базовым параметром при расчете.

Другая важная характеристика трансформатора – его КПД. В некоторых аппаратах этот показатель составляет 0,9 – 0,98, что характеризует незначительные потери магнитных полей рассеяния. Мощность P зависит от площади S сечения магнитопровода. По значению S, при расчетах параметров трансформатора, определяют количество витков в катушках: W = 50 / S.

На практике мощность выбирают исходя из предполагаемой нагрузки, с учетом потерь в сердечнике. Мощность вторичной обмотки Pн= Uн× Iн, а мощность первичной катушки Pс= Uс× Iс. В идеале Pн = Pс (если пренебречь потерями в сердечнике). Тогда k = / = / , то есть, токи в каждой из обмоток имеют обратно пропорциональную зависимость от их напряжений, следовательно, и от количества витков.

ВИДЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ

В зависимости от специфических функций, выполняемых трансформаторами, они подразделяются на несколько основных типов:

  • силовые, предназначенные для трансформации мощности;
  • измерительные, к которым относятся трансформаторы тока и напряжения;
  • разделительные, служащие для разделения электрических цепей.

Силовые трансформаторы используются на электрических станциях, в распределительных сетях и в точках потребления электроэнергии. Основная их функция — трансформирование передаваемой электрической энергии с одной ступени напряжения в другую.

Смысл смены ступеней напряжения заключается в том, что выработка, транспортировка и потребление электрической энергии происходит на разных уровнях напряжения.

Мощные турбогенераторы электрических станций вырабатывают электроэнергию напряжением 20 кВ. Передача энергии на большие расстояния осуществляется по воздушным линиям (ЛЭП), имеющим напряжение сотни киловольт — 110, 220, 500 кВ.

Более высокое напряжение (750 и 1150 кВ) применяется реже ввиду дороговизны оборудования и ряда технических сложностей. Повышение напряжения транспортировки электроэнергии позволяет снизить её потери.

Потребляется же большая часть электричества с напряжением 0,4 кВ. Максимальное напряжение конечных электрических устройств составляет не более нескольких киловольт. К таким устройствам относятся высоковольтные приводные двигатели мощных производственных механизмов, тяговые двигатели электровозов, питающихся от контактных электрических сетей.

Таким образом, электрическая энергия на своём пути от её производства до поступления к конечному потребителю несколько раз изменяет уровень напряжения. Эту работу выполняют силовые трансформаторы, установленные на электрических станциях и подстанциях распределительных сетей.

Измерительные трансформаторы используются в цепях измерения, защиты и контроля. Устройства этого типа осуществляют преобразование первичных значений тока и напряжения в пропорциональные им вторичные величины, необходимые для работы измерительных приборов, устройств защиты и автоматики.

Преобразование токовых величин осуществляется трансформаторами тока, для контроля уровня напряжения служат трансформаторы напряжения. Измерительные трансформаторы относятся к средствам измерений и подлежат периодической метрологической поверке, так же как все измерительные приборы.

Разделительные трансформаторы используются в тех случаях, когда необходимо обеспечить гальваническую развязку между отдельными участками электросетей.

Необходимость такого разделения может диктоваться требованиями электробезопасности. Например, таким способом осуществляется питание некоторых видов медицинского оборудования. В данном случае используется одно из основных свойств, присущих трансформатору — отсутствие гальванической связи между его обмотками.

  *  *  *

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Идеальный трансформатор

Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.

Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.

Трансформатор формула

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Потери

Передача электроэнергии с первичной обмотки на вторичную неизменно сопровождается потерями.

В трансформаторе отсутствуют вращающиеся компоненты и, соответственно, не возникают механические потери. Однако в агрегате возникают потери в меди обмоток из-за наличия в обмотках электрического сопротивления, а также магнитные потери в стали сердечника из-за возникающих вихревых токов и перемагничивания.

По этим причинам происходит передача не всей энергии, а только большей её части.

Обозначение на схемах

Трансформаторы наглядно изображаются на электрических схемах. Символически изображаются обмотки, которые разделены магнитопроводом в виде жирной или тонкой линии (см. рис. 9).

Пример обозначенияПример обозначения

На схемах трехфазных трансформаторов обмотки начинаются со стороны сердечника.

Потери энергии в трансформаторе

Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.

В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.

Сухие трансформаторы серии ТСЛ 

Конечно, трансформаторы не так просты, как может показаться на первый взгляд – ведь мы рассмотрели принцип действия трансформатора кратко. Контрольная по электротехнике  с задачами на расчет трансформатора внезапно может стать настоящей проблемой. Специальный студенческий сервис всегда готов оказать помощь в решении любых проблем с учебой! Обращайтесь в Zaochnik и учитесь легко!

Расшифровка основных параметров

Разнообразие в конструкции и широкий диапазон параметров трансформаторов привели к необходимости их маркировки по специальному стандарту. Не имея под рукой технического описания, характеристики устройства можно выяснить по нанесённой на его поверхности информации, выраженной буквенно-цифровым кодом.

Маркировка силовых трансформаторов содержит 4 блока.

блоки расшифровка

Скачать и посмотреть ГОСТ 15150 можно здесь(откроется в новой вкладе в PDF формате): Смотреть файл

Расшифруем первые три блока:

расшифровкаРасшифровка маркировки: 1,2,3 блока

  1. Первая буква «А» прикреплена за автотрансформаторами. При её отсутствии буквы «Т» и «О» соответствуют трёхфазным и однофазным трансформаторам.
  2. Наличие далее буквы «Р» информирует об устройствах с расщеплённой обмоткой.
  3. Третья буква означает охлаждение, масляной естественной системе охлаждения присвоена литера «М». Естественному воздушному охлаждению выделена буква «С», масляное с принудительным обдувом обозначается «Д», с принудительной циркуляцией масла – «Ц». Сочетание «ДЦ» указывает на наличие принудительной циркуляции масла с одновременным воздушным обдувом.
  4. Литерой «Т» помечаются трёхобмоточные преобразователи.
  5. Последний знак характеризует особенности трансформатора:
  • «Н» – РПН(регулировка напряжения под нагрузкой);
  • пробел – переключение без возбуждения;
  • «Г» – грозозащищенный.

Режимы работы

Холостой ход (ХХ)

Такой порядок работы реализуется от размыкания вторичной сети, после чего в ней прекращается течение электротока. В первичной обмотке течет ток холостого хода, составной его элемент — ток намагничивающий.

Когда вторичный ток равен нулю, электродвижущая сила индукции в первичной обмотке целиком возмещает напряжение питающего источника, а потому при пропаже нагрузочных токов, идущий сквозь первичную обмотку ток по своему значению соответствует току намагничивающему.

Функциональное назначение работы трансформаторов вхолостую — определение их важнейших параметров:

  • КПД;
  • показателя трансформирования;
  • потерь в магнитопроводе.

Режим нагрузки

Режим характеризуется функционированием устройства при подаче напряжения на вводы первичной цепи и подключении нагрузки во вторичной. Нагружающий ток идет по «вторичке», а в первичной — суммарный ток нагрузки и ток холостой работы. Этот режим функционирования считается для прибора преобладающим.

На вопрос, как работает трансформатор в основном режиме, отвечает основной закон ЭДС индукции. Принцип таков: подача нагрузки к вторичной обмотке вызывает образование во вторичной цепи магнитного потока, образующего в сердечнике нагружающий электроток. Направлен он в сторону, противоположную его течению, создающегося первичной обмоткой. В первичной цепи паритет электродвижущих сил поставщика электроэнергии и индукции не соблюдается, в первичной обмотке осуществляется повышение электротока до того времени, пока магнитный поток не вернется к своему исходному значению.

Короткое замыкание (КЗ)

Переход прибора в этот режим осуществляется при кратковременном замыкании вторичной цепи. Короткое замыкание — особый тип нагрузки, прилагаемая нагрузка — сопротивление вторичной обмотки — единственная.

Принцип работы трансформатора в режиме КЗ таков: к первичной обмотке приходит незначительное переменное напряжение, выводы вторичной соединяются накоротко. Напряжение на входе устанавливается с таким расчетом, чтобы величина замыкающего тока соответствовала величине номинального электротока устройства. Величина напряжения определяет энергопотери, приходящиеся на разогрев обмоток, а также на активное сопротивление.

Такой режим характерен для приборов измерительного типа.

Исходя из многообразия устройств и видов назначения трансформаторов, можно с уверенностью сказать, что на сегодня они — незаменимые, использующиеся практически повсеместно устройства, благодаря которым обеспечивается стабильность и достижение необходимых потребителю значений напряжения, как гражданских сетей, так и сетей предприятий промышленности.

Цена трансформаторов

Цена трансформатора варьируется в широких пределах и зависит от множества факторов. Здесь учитывается тип и назначение, мощность и другие электрические параметры. На стоимости устройств отражается сложность производства и используемые материалы. Немаловажное значение играет защита и другие особенности.

Трансформатор известного производителя не может быть дешёвым. Однако покупатель может быть уверен, что приобретённое им устройство полностью соответствует указанным характеристикам, не выйдет из строя при первом включении и гарантированно отработает заложенный ресурс.

Высоковольтные трансформаторы можно оценивать по их мощности, то есть если мощность трансформатора 63 МВт(63000 кВА), то он стоит около 63 млн рублей, но это примерна оценка.

Видео: Как проверить исправность трансформатора

Список использованной литературы

  • Кацман М. М. «Электрические машины и трансформаторы.»  1971
  • Кислицын А.Л. «Трансформаторы» 2001
  • Родштейн Л.П. «Электрические аппараты» 1989
  • Бартош А.И. «Электрика для любознательных» 2019
  • Брандина Е.П. «Электрические машины» 2004

Бизнес и финансы

БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумагиУправлениеОткрытые акционерные обществаПроектыДокументыЦенные бумаги — контрольЦенные бумаги — оценкиОблигацииДолгиВалютаНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыСтрахованиеБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииГосударственные предприятияЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалогиАудитМеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетикаАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьерОрганизация и управление производством

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...